無線電戰術接入網的構建和測試

魏正曦，蹇紅梅

（四川理工學院計算機學院，四川自貢643000）

無線電戰術接入網的構建和測試

魏正曦，蹇紅梅

（四川理工學院計算機學院，四川自貢643000）

利用現有短波/微波電臺或其他通信設備的數據傳輸能力，研制構建無線電戰術互聯網所需的互聯網控制器和戰術多網網關，從而使各類無線終端組成無中心的自組織網絡，并通過TCP/IP協議與外部網絡互連互通。采用VxWorks系統作為開發平臺，經過系統裁剪和軟件編碼，將軟硬件嵌入到網絡核心設備中，運用無線仿真器進行輔助開發和性能測試。室內仿真和野外試驗表明：組建的無線電戰術接入網能夠實現網絡異構、路由自動選擇等功能；在3～4節點的任意拓撲環境下，網絡時延不超過30s，并成功地接入有線網，能較好地提供各項數據傳輸業務。

戰術互聯網；互聯網控制器；戰術多網網關；無線網仿真；全通網測試

短波/超短波電臺是戰術級電臺，是前方作戰地域重要的通信手段。戰術無線電互聯網[2]是以戰術電臺為基礎，通過嵌入網絡互聯技術，為師級作戰地域內進行運動中作戰的各要素之間提供基本的態勢、指控和話音保障能力的機動通信網絡。通過與野戰綜合業務數字網（野戰地域網）的綜合集成，可以實現與其他通信網系的互連互通，保障各作戰要素達成密切協同，形成強大整體作戰能力。

美軍早已使用路由器將原有的SINCGARS[3]無線電系統和增強定位報告系統EPLRS[4]連接起來，形成一個更加完善的通信網絡，其發展處于世界領先地位。為應對數字化戰備技術的新挑戰，我軍也在積極構建戰略和戰役戰術級的作戰信息系統。無線電戰術接入網屬于戰役戰術級網絡的組成部分，它使得軍隊集團化作戰能力加強，支持高度機動的移動指揮，還能較好地解決系統的抗毀性問題，因此受到各國軍方的普遍關注。

1 系統需求分析

系統的建設目標是以軍隊使用的HF/VHF（高頻/甚高頻）電臺為通信設備，借助戰術電臺或其他通信工具的數據傳輸能力，自主開發組網所需的關鍵核心設備——互聯網控制器[5]和戰術多網網關[6]。無線終端通過現有的電臺和互聯網控制器組成無中心的自組織網絡；通過支持TCP/IP協議的路由設備戰術多網網關與外部的有線網絡進行互聯，接入有線網。戰術接入網可用于原有通信網絡內的數據通信，實現圖形、圖像、文件等數據信息的快速傳遞，支持其各種復雜的應用環境。

接入網系統的實現方式主要利用軍隊中已經大量裝備和使用的短波/超短波跳頻改進型電臺，將自主開發的聯網軟硬件內置于電臺中，為電臺提供分組數據傳輸和自組織網絡組網能力。系統的核心網絡設備主要是互聯網控制器和戰術多網網關，它們在網絡中通過數據口即標準RS-232接口與用戶的無線終端或PC機相連；電臺之間的硬件通過一個標準接插件互連，電源、所有信號線都通過該插槽相互連通。數據傳輸模塊的數據通信采用RS-232接口標準。通常情況下，一個超短波分組無線網由8個節點組成，最多可擴展到16個節點。網絡結構可以是多跳、自動中繼的復雜網絡。一般情況下為2～3跳，最多跳數為6跳。

構建真實的無線分組網絡環境存在以下問題：首先是調試困難，無線通信的距離較遠，對于VHF電臺，通信距離也達到10km以上，在這樣的環境下，實際上無法調試，只能測試和驗證功能和性能指標；其次是難以針對調試的需求建立任意拓撲結構，難以實時檢測動態變化的網絡拓撲結構。因此，必須開發一個網絡仿真系統，以便在室內提供各種模擬的網絡仿真環境，方便網絡設備的調試。

2 網絡的構建

2.1 系統設計

圖1 網絡拓撲結構圖

根據上述分析，擬建網絡拓撲結構如圖1所示。無線電分組網絡包括無線終端和基站兩個部分。其中，便攜式/通用PC、互聯網控制器和HF/VHF電臺構成無線終端部分；基站包括HF單工電臺、便攜式/通用PC終端和戰術多網網關。終端與電臺之間通過互聯網控制器/戰術多網網關連接，設備間的接口均采用標準RS-232接口。各無線終端可利用互聯網控制器構建獨立的無線網絡，也可采用戰術多網網關作為基站，通過RJ45接口與有線網相連。

系統硬件平臺采用X86 CPU芯片，選用VxWorks[7]作為底層操作系統，構建一個嵌入式計算機系統。考慮到技術的成熟度，選用AMD SC400 MCU，需要配備兩個異步RS-232的串行口，4Mb RAM（優先考慮采用SRAM），2Mb Flash RAM。考慮到超短波電臺的背負使用環境，要求硬件的整體功耗＜1W，全部電路設計采用3.3V低電壓、低功耗器件，同時，利用CPU的電源管理能力盡量降低功耗。電路板的物理尺寸、電磁輻射必須滿足VHF超短波電臺的要求。與電臺的硬件連接通過一個專用插座貼在電臺的跳頻、數據傳輸板上。由電臺提供3.3V電源。另外，電臺還提供信道載波檢測（信道忙閑）、數據信道忙閑、話音信道忙閑、電臺跳信號等信道狀態指示信號。

2.2 網絡協議棧

無線電接入網的軟件系統總體上要實現兩個關鍵目標：1）IP數據包在不同數據鏈路層協議之間傳輸，需要在數據鏈路層進行協調轉換；2）IP的路由策略，要求選路適應復雜多變的無線鏈路環境。

互聯網控制器/戰術多網網關之間的數據鏈路層和物理層通信協議采用美軍標MIL-STD-188-220B[8]（美軍戰術互聯網——“數字消息傳輸設備子系統互操作標準”所規定強制執行的網絡下三層協議），互聯網控制器/戰術多網網關與終端間采用PPP/SLIP協議，兩個設備的通信模型如圖2和圖3所示。

從圖2中可以看到，無線終端與互聯網控制器之間采用PPP鏈路連接，終端運行的應用程序通過撥號接入互聯網控制器，后者把收到的IP數據報在鏈路層進行PPP協議和220B協議的轉換，然后把IP數據報重新封裝，通過串口流經220B無線鏈路發送至電臺，最后由HF/VHF電臺將IP數據報發送出去。無線終端接收網絡數據的過程正好與上述流程相反，從而實現基于IP數據報的異種設備互聯。

圖2 互聯網控制器協議棧

圖3 戰術多網網關協議棧

結合圖1和圖3還可以看出，戰術多網網關除了連接無線終端，還連接有線網，承載著無線終端接入有線網的功能。具體實現方案是戰術多網網關增加了一個RJ45接口，220B無線鏈路流入/流出的IP數據報可以在戰術多網網關進行IP交換，然后根據路由表，選擇IP數據報的下一跳是走PPP鏈路與無線終端通信，還是走以太網鏈路接入有線局域網中。

由于戰術多網網關具備與有線網連接的以太網接口，它幾乎涵蓋了互聯網控制器的所有功能，因此在研制時主要以開發戰術多網網關的軟硬件為主，而互聯網控制器則可以通過對戰術多網網關的軟硬件進行適當裁剪而得到。

至于IP數據報的路由選擇，設計了一種基于源定向選路的路由策略[9]，基本思路是無線節點根據實時更新的網絡拓撲，選擇公共傳輸次數最多的鏈路作為它的下一跳，確保已建立的無線鏈路最大復用率；如果需要中繼，則選擇中繼節點路由表中復用率高的鏈路作為下一跳，如此重復直到目的節點。

2.3 網絡仿真系統

網絡仿真系統主要通過一個PCI多串口卡連接多個終端構成，如圖4所示。根據組網需要，設計了仿真測試程序，分別從端口設置、數據接收/發送/分析、網絡拓撲和數據顯示/存儲等方面進行模擬測試。

仿真系統主要實現以下具體功能：

1）仿真無線網絡拓撲結構及其動態變化；

2）存儲網絡中各節點發出的報文及離線分析；

3）同步模擬真實環境中的無線數據傳輸，完成數據轉發功能；

4）對傳輸報文進行實時監視和在線分析。

3 網絡測試

網絡測試分室內網絡仿真環境和野外現場試驗兩部分。首先在2400 b/s的數據傳輸速率下進行測試，然后再在1200b/s速率下進行測試。設計要求實現無中心自組織網絡結構，由于條件限制，無法構建完全滿足設計指標要求的測試網絡，試驗構建了室內4個節點、室外3個節點的分組無線網絡，并進行了相關的測試和驗證。

3.1 室內仿真測試

室內模擬仿真測試在圖4所示的系統仿真平臺，進行了靜態與動態網絡結構兩種情況的試驗。

圖4 仿真分組無線網絡結構圖

3.1.1 靜態4節點任意網絡拓撲結構測試

靜態4節點Ping任意站點的傳輸時延測試，該測試的仿真網絡結構如圖5所示。

圖5 靜態4節點任意網絡拓撲圖

Ping測試步驟如下：

1）終端3、4同時Ping終端1，每個Ping操作間隔2min；

2）每個終端均連續Ping終端120次，記錄每次Ping是否成功及時延；

3）終端3、4同時對Ping，每個Ping操作間隔2min；

4）每個終端均連續對Ping 20次，記錄每次Ping是否成功及時延。在數據傳輸速率為2400b/s的情況下，終端3、4 Ping終端1，測試結果如表1所示。

3.1.2 動態4節點任意網絡拓撲結構測試

仿真任意動態拓撲結構的網絡結構圖如圖6所示。圖中實線表示節點間的初始連接關系，虛線表示相應節點的運動軌跡。

表1 靜態4節點Ping傳輸時延

圖6 動態四節點任意網絡拓撲圖

該項測試的試驗步驟與靜態節點的測試相似，在數據傳輸速率為2 400 b/s的情況下，終端1、4互Ping的測試結果如表2所示。

表2 動態4節點Ping傳輸時延

3.2 野外測試

試驗小組在野外隨機建立了如圖7所示的網絡結構，利用短波TCR-154電臺加短波數傳[10]提供的數據通道，在真實的無線通信環境和電臺的定頻工作模式下，分別對3個節點組成的全通網進行了多項功能和性能測試。其中，數據傳輸速率設置為1200b/s，兩個終端互Ping的測試結果如表3所示。

圖7 野外3節點全通網拓撲圖

表3 野外3節點Ping傳輸時延

此外，野外試驗還對短消息通信、文件傳輸、WWW瀏覽等測試項進行了試驗，測試結果證明該網絡能夠通過TCP/IP協議接入有線網，支持文件、圖像數據的傳輸業務，而且性能基本穩定。

4 結束語

單就Ping測試項所獲得的數據來看，野外實驗跟室內實驗的時延基本相差不大，只是由于實際信道比室內模擬信道要差一點，因而在網絡通信方面時延更長。無線信道的選擇直接影響網絡的性能，它對網絡建立和通信效果的好壞起著關鍵性作用。

各項測試表明自研發的組網核心設備實現了網絡異構、路由自動選擇等功能，能成功地接入有線網，能較好地提供各項數據傳輸業務。

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Construction and testing for radio tactical access network

WEI Zhengxi，JIAN Hongmei
（School of Computer Science，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China）

Based on the data transmission capacity of the existing shortwave/microwave radio or other communication equipment，an internet controller and a tactical multi-network gateway were developed to build a radio tactical access internet，enabling wireless terminals to form a selforganizing network and to interconnect with the external network through the TCP/IP protocol. Hardware and software，after being cut and programmed，were embedded to the core equipment in the network through VxWorks，a development platform.Indoor simulation and outfield tests show that the radio tactical access network is heterogeneous，can automatically select routes，and shortens network delay to no more than 30 seconds under any topology with three or four nodes，having been accessed to the wired network to provide various data transmission services.

tactical internet；internet controller；tactical multi-network gateways；wireless network simulation；fully connected network testing

A文章編號：1674-5124（2015）08-0099-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.023

0 引言

現代數字化戰爭[1]是以信息技術為基礎，以信息環境為依托，用數字化設備將指揮、控制、通信、計算機、情報、電子對抗等網絡系統聯為一體，能實現各類信息資源共享、作戰信息實時交換，以支持戰斗員和保障人員信息活動的整個作戰多維信息空間。數字化戰爭的特點決定了戰斗部隊需要以武器和武器平臺、指揮和控制系統、傳感器以及后勤系統4個部分作為支持。如果能把這4個部分通過數字化通信網絡有效連接起來，通信網絡就將成為數字化戰爭獲勝的重要基礎。

2015-01-29；

2015-03-02

四川省院士（專家）工作站基金項目（2014YSGZZ02）

四川省教育廳重點項目（14ZA0210）

人工智能四川省重點實驗室項目（2013RYY04）

物聯網測控四川省高校重點實驗室項目（2013WYY09）

魏正曦（1976-），男，四川自貢市人，副教授，主要從事計算機應用方面的研究。